自動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 強(qiáng)， 王高亮

(1 周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 河南 周口 466001； 2 周口師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院， 河南 周口 466001)

引言

AGV—自動(dòng)導(dǎo)引貨物運(yùn)載小車自上世紀(jì)出現(xiàn)以來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，AGV的研發(fā)腳步也在不停的發(fā)展。利用目前最先進(jìn)的機(jī)器算法和人工智能技術(shù)，AGV智能小車已經(jīng)成為當(dāng)代物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、自動(dòng)化生產(chǎn)車間的不可或缺的重要設(shè)備之一。AGV智能導(dǎo)引小車以蓄電池為動(dòng)力，以單片機(jī)組成的嵌入式控制系統(tǒng)為核心 ，以光電傳感器和電磁傳感器為導(dǎo)航檢測(cè)設(shè)備，可以完成固定路線自主駕駛搬運(yùn)[1]。目前，以人工智能技術(shù)、蜂群網(wǎng)絡(luò)算法為基礎(chǔ)的大規(guī)模集成的AGV智能小車在物流倉(cāng)儲(chǔ)有條不紊的執(zhí)行著分揀任務(wù)，該智能小車通過(guò)計(jì)算機(jī)算法，能夠進(jìn)行貨物運(yùn)輸、分揀，低電量自動(dòng)充電等功能。但基于一些大型的AGV系統(tǒng)，在貨物搬運(yùn)過(guò)程中，還未被開(kāi)發(fā)，還存在著許多未開(kāi)發(fā)的功能，因此對(duì)AGV系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)、設(shè)計(jì)對(duì)工廠自動(dòng)化的生產(chǎn)和物流運(yùn)輸具有重要意義。

1 AGV系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 AGV系統(tǒng)各部分組成

AGV控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)、車體運(yùn)輸系統(tǒng)、檢測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力來(lái)源部分構(gòu)成[2]。其中驅(qū)動(dòng)部分保證車體運(yùn)行，檢測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)保證小車的方向，控制系統(tǒng)處理信息檢測(cè)和控制整個(gè)車體的運(yùn)行。

1.2 AGV的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AGV系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小控制系統(tǒng)、紅外超聲波檢測(cè)傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、串行通信芯片組成[3]。最小控制系統(tǒng)主要完成整個(gè)系統(tǒng)的信息處理和控制任務(wù)；檢測(cè)傳感器為該系統(tǒng)提供外界信息的檢測(cè)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)，串行通信模塊主要作用是為單片機(jī)控制系統(tǒng)和外接電路進(jìn)行信息的傳輸、存儲(chǔ)等功能。

1.3 設(shè)計(jì)的任務(wù)和目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)一臺(tái)可以自動(dòng)導(dǎo)引的AGV小車，能夠在預(yù)設(shè)的導(dǎo)引線上進(jìn)行平穩(wěn)的行駛。此設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)最小控制系統(tǒng)通過(guò)控制渠道電路來(lái)控制小車的方向運(yùn)動(dòng)功能。其小車的主要各項(xiàng)參數(shù)如下，依據(jù)這個(gè)參數(shù)進(jìn)行一系列的計(jì)算，最終設(shè)計(jì)一款實(shí)用的AGV小車。自動(dòng)導(dǎo)引小車各項(xiàng)機(jī)械參數(shù)和技術(shù)要求見(jiàn)表1。

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械傳動(dòng)方案的確定

本設(shè)計(jì)采用四輪機(jī)械結(jié)構(gòu)布局，小車后輪作為整車的動(dòng)力，前輪作為萬(wàn)向輪，保持整車平衡。當(dāng)小車需要改變方向，小車通過(guò)后輪差速驅(qū)動(dòng)，改變其運(yùn)動(dòng)方向。

依據(jù)本次設(shè)計(jì)的任務(wù)目標(biāo)和功能作為一種負(fù)載小車來(lái)設(shè)計(jì)，負(fù)載小車需要進(jìn)行貨物運(yùn)輸，在運(yùn)輸過(guò)程中要始終保持穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)速度平緩，轉(zhuǎn)彎誤差小，才能保證任務(wù)的完成。四輪布局在貨物運(yùn)輸方面更具有穩(wěn)定性，尤其在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，三輪布局轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，在貨物運(yùn)輸過(guò)程中非常不穩(wěn)定。四輪驅(qū)動(dòng)采用兩套直流電機(jī)通過(guò)蝸輪-蝸桿減速器驅(qū)動(dòng)輪轂，誤差傳動(dòng)小，轉(zhuǎn)彎半徑小，速度平穩(wěn)。而三輪布局由于采用萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)偏大，不利于貨物的運(yùn)輸。因此本設(shè)計(jì)采用四輪布局結(jié)構(gòu)，作為本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案。

2.2 直流伺服電機(jī)的選定

依據(jù)本次設(shè)計(jì)，從控制系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)考慮，依據(jù)電機(jī)功率、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、電機(jī)的牽引力及電機(jī)的加速性能進(jìn)行對(duì)電機(jī)的選型。直流伺服電機(jī)選型依據(jù)：以最大參數(shù)為條件進(jìn)行選擇，當(dāng)最大參數(shù)確定后，就可以確定電機(jī)的選擇。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)

小車的車輪半徑150 mm,根據(jù)公式計(jì)算[4]，當(dāng)最大行駛速度為120 mm/s時(shí)，此時(shí)車輪的轉(zhuǎn)速為：

設(shè)計(jì)選用蝸輪—蝸桿的減速比為i=1∶60,則電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為：

n電=in=80×15.28=1 222.9r/min

2.2.2 電機(jī)的牽引力

電機(jī)牽引力選擇，根據(jù)小車的自重和載重，對(duì)小車的受力分析，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，得出小車自重和載重時(shí)需要的牽引力大小，最終確定所需電機(jī)牽引力大小的參數(shù)。

以小車的平均密度2.95 g/cm為基準(zhǔn)計(jì)算該小車的自重受力，則該小車車架重壓力為：

p=ρa(bǔ)bhg=2.95×103×0.5×0.3×0.032×

9.8≈138.7 N

小車最大有效載重為30 KG:

G=mg=30×9.8=294N

為了保證小車的前后輪受力平衡，建立三軸坐標(biāo)系，列出平衡方程得出該小車的最終受力。前輪和后輪對(duì)稱設(shè)計(jì)，得：

FA=FB，F(xiàn)C=FD

∑Fz=0， 2FA+2FC-P-G=0

由選擇方案一作為本次的傳動(dòng)方案，則在小車運(yùn)行過(guò)程中，后輪的實(shí)際稱重大于前車輪的稱重，因此為了計(jì)算整體的牽引力大小，根據(jù)查找資料以系數(shù)0.17[5]計(jì)算在前車輪FC=FD的受力。根據(jù)平衡方程則：

∑Mx=0, -0.075G-0.17P+2×0.3×FC=0

解出FA=FB=176.93 N,FC=FD=39.42 N

由于整個(gè)車的動(dòng)力來(lái)源為后輪驅(qū)動(dòng)，為計(jì)算后車輪電機(jī)的牽引力,經(jīng)查表取得滾動(dòng)摩擦阻力偶矩Mf為δ=5 mm,則最大受力為：

Mmax=δFN=0.005×176.93=0.884 N·m

牽引力F為:

2.2.3 瞬時(shí)加速性能

最大空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在自動(dòng)引導(dǎo)小車攜帶工件，從靜止以階躍指令加速到伺服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax時(shí)[6]。此時(shí)最大空載加速轉(zhuǎn)矩便是伺服電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax。

0.41N·m.

2.2.4 電機(jī)的選定

依據(jù)上述三項(xiàng)條件，最終選擇直流電機(jī)伺服電機(jī)為MDF K3520 ?80mm 石墨電刷 120 W。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)總方案

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為本次控制系統(tǒng)的核心部分，對(duì)小車的信息進(jìn)行采集、運(yùn)算處理。為了保證小車時(shí)刻平穩(wěn)運(yùn)行，控制系統(tǒng)方案采用閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)獲得小車運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)小車的運(yùn)行狀態(tài)解析，然后根據(jù)解析結(jié)果對(duì)小車的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)小車的閉環(huán)控制，小車電機(jī)選用數(shù)字編碼電機(jī)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)編碼電機(jī)發(fā)出不同相位的脈沖信號(hào)，然后對(duì)數(shù)字編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行鑒相,可以獲得電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)信息。經(jīng)過(guò)鑒相電路后得到正負(fù)相反的脈沖信號(hào)送至8253計(jì)數(shù)器對(duì)其計(jì)數(shù)，可獲得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)速，最后輸入STC89C52單片機(jī)進(jìn)行解析算法處理[7]，發(fā)送控制指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，控制小車進(jìn)行一系列的運(yùn)輸工作。

3.2 鑒相原理

伺服電機(jī)通過(guò)數(shù)字編碼器向控制系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向。數(shù)字編碼器安置在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)，編碼器可以產(chǎn)生相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)鑒相電路進(jìn)行處理分析之后，即可得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向[8]。

當(dāng)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，B相脈沖滯后于A相脈沖180°，在cp端進(jìn)行反向，輸出一個(gè)正向計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，A相脈沖滯后于B相脈沖180°，在cp端進(jìn)行反向，輸出一個(gè)反向計(jì)數(shù)脈沖。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息可以通過(guò)對(duì)編碼電機(jī)的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到，本次使用的電機(jī)數(shù)字編碼器500P/R,電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周即可輸出500個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)與車輪的減速比為60∶1，因此車輪每次旋轉(zhuǎn)一周，即可產(chǎn)生500×60=30 000個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的鑒相，輸出差動(dòng)脈沖信號(hào)，最后輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，得出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展

為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，避免輸入過(guò)多的信息對(duì)單片機(jī)的處理造成壓力，干擾系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)中使用兩塊8253計(jì)數(shù)器對(duì)鑒相之后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)其脈沖進(jìn)行處理，緩解單片機(jī)處理壓力，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。該芯片具有3個(gè)16位計(jì)數(shù)器，2塊芯片共計(jì)6個(gè)獨(dú)立計(jì)數(shù)器，使用其中4個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器分別用于對(duì)后輪2個(gè)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)脈沖的計(jì)數(shù)。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇

電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理可通過(guò)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)。PWM脈沖調(diào)制技術(shù)可以通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器進(jìn)行程序編程輸出，也可由專門的芯片產(chǎn)生去驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本次采用UC3637專門驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，該芯片是一款專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)部可有專門的PWM芯片產(chǎn)生PWM波和H橋功率放大器[9]。該芯片驅(qū)動(dòng)原理是:單片機(jī)控制電路向驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)出帶有電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信息的控制信息，控制PWM芯片產(chǎn)生周期不同的波形[10]，經(jīng)放大器放大之后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。該芯片電感小、功率大、功耗低、效率高，可滿足本設(shè)計(jì)需求。UC3637原理如圖1所示 。

圖1 UC3637原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)AGV小車系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)原理方面介紹了該系統(tǒng)各部分的組成和原理。重點(diǎn)介紹了控制系統(tǒng)的組成和小車自動(dòng)行駛的算法原理，完成了直流伺服電機(jī)的選型和系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出完整的兩輪獨(dú)立后驅(qū)、前輪引導(dǎo)的小車系統(tǒng)。該小車可以完成按照預(yù)定設(shè)計(jì)路線的自動(dòng)行駛，機(jī)械部分可與控制系統(tǒng)相互配合，達(dá)到運(yùn)送貨物的目的。